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na fabricação de dutos em função de sua composição química e resistência mecânica, seguindo a norma API-5L. De acordo com a norma, os algarismos identificam o aço em função do limite de escoamento mínimo aceito, em ksi (lb/in2). (HIPPERT Jr., 2003), figura 2.1. Na tabela 2.1, é apresentada a composição química de alguns aços API. Figura 2.1: Tensão limite de escoamento mínima para classes de aço API (Disponível em http://www.usiminas.com.br/produtos (acesso em 08/02/2005)). 3 Tabela 2.1: Composição química dos aços API fabricados pela USIMINAS Composição Química (%) Grau API 5L Espessura (mm) C Mn Si P S Nb Ti Mo V Ni Cu Cr A 0,90 B 0,20 1,15 X42 1,25 X46 1,35 X52 1,25 X56 1,35 0,065 0,030 X60 6,00~38,10 1,35 X65 0,16 1,25 X70 6,00~25,40 0,15 1,35 0,35 0,025 0,025 0,075 0,25 0,070 0,35 0,40 0,25 Disponível em http://www.usiminas.com.br/produtos (acesso em 08/02/2005) A composição química do aço determina as características para sua aplicação. Nesse sentido, SILVA (2001) descreve a influência dos principais elementos de liga nos aços, são eles: Carbono (C) \u2013 O aumento do teor de carbono é a maneira mais econômica de obter resistência mecânica, principalmente no limite de escoamento, no entanto, é prejudicial à tenacidade do material. Teores elevados comprometem a soldabilidade do aço. Assim, limita-se o teor de carbono em 0,3%; Manganês (Mn) \u2013 o aumento do teor de manganês aumenta seguramente a resistência mecânica e resistência à fadiga. Prejudica a soldabilidade, contudo é menos prejudicial que o carbono; Silício (Si) \u2013 Favorece a resistência mecânica (limite de escoamento) e a resistência à corrosão, mas como os anteriores, reduz a soldabilidade; Enxofre (S) \u2013 Muito prejudicial aos aços. Diminui a ductilidade, tenacidade à fratura e soldabilidade. Fósforo (P) \u2013 Aumenta o limite de resistência, favorece a resistência a corrosão, mas diminui a soldabilidade. Diminui a ductilidade e a tenacidade à fratura. Torna o aço frágil se ultrapassar certos teores; 4 Cobre (Cu) \u2013 Aumenta a resistência a fadiga e à corrosão, mas reduz a soldabilidade; Níquel (Ni) \u2013 Aumenta a resistência mecânica e a resistência à corrosão; Nióbio (Nb) \u2013 É um dos principais elementos de liga dos aços microligados, sendo quase obrigatório nos aços ARBL. Pequenos teores desse elemento aumentam concomitantemente o limite de resistência e o limite de escoamento. Permite diminuir os teores de carbono e manganês; Titânio (Ti) \u2013 Aumenta o limite de resistência e melhora o desempenho mecânico em temperaturas elevadas. 2.1.1 \u2013 Aços de Alta Resistência e Baixa Liga (ARBL) A tecnologia de exploração de óleo e gás tem exigido a busca de materiais para tubulações que apresentem propriedades mecânicas apropriadas. Os aços de alta resistência e baixa liga têm demonstrado propriedades mecânicas superiores, combinando características como elevada resistência mecânica e tenacidade, atribuídas, segundo ZHAO et al. (2002), a fatores como composição química, controle do processo termo-mecânico de fabricação e microestrutura final adequados. A laminação controlada, seguida por resfriamento controlado, é um dos processos mais utilizados na obtenção de aços de alta resistência e baixa liga com uma combinação desejável de resistência, soldabilidade e tenacidade e está associado com diferentes mecanismos de reforço, dentre eles o refino do grão (BAKKALOGLU, 2002). O refino do tamanho do grão, segundo COSTA NETO (1989), é a questão fundamental para otimização de propriedades nos aços de tubulação, sendo confirmado por ZHAO et al. (2003) que atribuem ao refino do tamanho de grão o foco principal da pesquisa em aços. O refino do grão ferrítico é um dos procedimentos mais utilizados para o reforço do aço, pois torna possível, concomitantemente, o aumento da tenacidade e da resistência mecânica (HODGSON et al., 1999). MATSUMURA e YADA (1987) atribuem o refino do grão ferrítico à transformação da austenita (\u3b3) em ferrita (\u3b1) e à recristalização dinâmica da ferrita, enquanto BAKKALOGLU (2002) menciona que a 5 otimização do refino do grão ferrítico é alcançada pela maximização da área do contorno de grão da austenita por unidade de volume. O processo de laminação controlada utilizado no refino do grão ferrítico segue as seguintes etapas: 1 \u2013 Deformação na região de recristalização (acima de 950°C) \u2013 Nessa região, ciclos de deformação e recristalização são responsáveis pela diminuição dos grãos austeníticos; 2 \u2013 Deformação na região de não-recristalização (entre 950°C e 900°C) \u2013 Nessa região, há formação das bandas de deslizamento, que servirão de locais para a nucleação da ferrita; além dos contornos de grãos austeníticos; 3 \u2013 Deformação na região (\u3b1+\u3b3) \u2013 Nessa região, além da formação das bandas de deformação, há a ocorrência da deformação da ferrita com o desenvolvimento de subestruturas. Durante o resfriamento, a ferrita deformada muda para subgrão e a austenita não-recristalizada transforma-se em grãos ferríticos. Quanto menor o tamanho do subgrão, maior o efeito do reforço. A adição de pequenos teores de nióbio, vanádio e titânio ao aço para laminação controlada é outra forma de se efetuar o refino do grão. Esses elementos formam microconstituintes que, segundo COSTA NETO (1989), atuam como fixadores do contorno de grão austenítico, impedindo seu crescimento durante o processo de laminação à quente como conseqüência da formação de carbonitretos e, posteriormente, aumentando a resistência mecânica do aço devido ao endurecimento por precipitação. O autor menciona que o Nb (C, N) é o fixador de contorno de grão mais efetivo, seguido pelo Ti (C, N) e V (C, N), respectivamente. ZHAO et al. (2003) observaram o endurecimento por precipitação de um aço para dutos, onde a presença de carbonitretos de nióbio e vanádio, dispersos na matriz ferrítica, promoveu um aumento da densidade de discordâncias, devido ao bloqueio de seu movimento, resultando no aumento da resistência mecânica do aço. A obtenção das propriedades mecânicas nos aços ARBL é dada em função da temperatura de laminação e da maneira como as microadições de Nb, V ou Ti formam carbetos, nitretos e carbonitretos (COSTA NETO, 1989). Diante do exposto, 6 pode ser verificado que a microestrutura do aço desempenha um papel fundamental nas suas propriedades mecânicas, relevantes ao comportamento do duto. 2.2 \u2013 ASPECTOS GERAIS DA FADIGA Os materiais solicitados por carregamento estático, após o limite de escoamento, iniciam o processo de deformação plástica e, com a continuidade do carregamento, podem sofrer colapso mecânico. No entanto, a maior parte dos materiais em engenharia é submetida a carregamentos cíclicos. Esses materiais podem fraturar, nessas condições, a uma tensão inferior ao limite de escoamento e ao limite de resistência. A esse tipo de falha dá-se o nome de fadiga. A norma ASTM E 1150-87 (1993) define fadiga como \u201co processo de mudança estrutural permanente, progressiva e localizada, produzido por tensões ou deformações flutuantes em algum ponto ou pontos do material, e que pode culminar em trincas ou fratura completa após um número suficiente de ciclos de carregamento\u201d. O processo de fadiga consiste em três etapas (estágios): nucleação (iniciação) da trinca, propagação da trinca e colapso da estrutura. A iniciação das trincas de fadiga está ligada ao acúmulo de deformação plástica, em geral na superfície do material, mediante deslizamento dos planos cristalográficos. As trincas podem ocorrer em defeitos ou inclusões no material, ou seja, em pontos de concentração de tensões, em locais não homogêneos e pontos de variação abrupta da geometria da estrutura. Na segunda etapa, as trincas geralmente se propagam perpendicularmente à direção das tensões principais